一种带连接软管的输流管路动力学建模方法技术

本发明专利技术提供一种带连接软管的输流管路动力学建模方法，包括：基于有限元法，建立带连接软管的输流管路系统动力学模型；对建立的带连接软管的输流管路系统动力学模型进行模型验证；基于验证后的模型进行不同流体压力下的模态试验，得到流体参数对带连接软管的输流管路固有频率的影响规律。本发明专利技术能够为流体激励下的输流管路系统的固有特性分析和振动响应分析提供一个更为准确和全面的动力学模型。基于有限元方法，本发明专利技术模型在评估输流管路系统的固有特性时具有更好的灵活性和更高的求解效率。基于所提出的模型，分别采用数值和试验方法研究了输流管路系统流体参数对固有特性的影响规律。本发明专利技术可为后续工程中输流管路的振动分析提供前提。动分析提供前提。动分析提供前提。

【技术实现步骤摘要】
一种带连接软管的输流管路动力学建模方法


[0001]本专利技术涉及机械动力学
，具体而言，尤其涉及一种带连接软管的输流管路动力学建模方法。

技术介绍

[0002]航空发动机输流管路的功能是输送流体介质到发动机及飞机的各个部件，在输送过程中，常常通过软管将泵源与管路系统连接起来。由于流体脉动会引发管路振动，长时间会造成管路系统故障进而影响到航空发动机的安全运行，因此，了解管路系统在输送流体时的动力学特性已成为当前的研究热点，而研究这一问题的基础是建立一种准确的带连接软管的输流管路模型。
[0003]固有特性分析揭示系统的固有频率与振动模态特性，系统的支撑刚度、边界刚度对其固有特性有显著影响。边界刚度及其反推辨识方法是一种基于试验和遗传算法的用来辨识刚度的方法；以固有频率的误差为目标函数，刚度为优化变量，结合试验得到的管路系统频响函数，得到目标函数最小化时对应的优化变量即为辨识出来的边界刚度；将其引入模型中，得到更为准确的输流管路系统动力学模型，为后续的振动分析提供支持。
[0004]过去的几十年里，针对输流管路的动力学分析方面取得了丰富的成果。为了更好地分析流固耦合(FSI)作用对输流管路固有特性的影响，学者们采用传递矩阵法、半解析法和有限元法等方法建立管路系统模型。传递矩阵法适用于链式管路结构，应用范围广，但往往存在数值不稳定的缺点。半解析法常用来处理输流管路的非线性振动问题，但其缺点是只适用于单管难以应用于复杂的管路系统。有限元法在处理管路的结构振动方面比较灵活且求解效率高，虽然已有学者对输流管路的固有特性进行了研究，但大多数研究忽略了连接软管等的影响，对包含连接软管的输流管路系统的动力学分析还不够充分。

技术实现思路

[0005]根据上述提出的技术问题，提供一种带连接软管的输流管路动力学建模方法。本专利技术考虑了连接软管的影响，在保证计算精度的前提下求解效率较高，填补了连接软管建模研究的空白，为后续的输流管路振动分析提供了支持。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种带连接软管的输流管路动力学建模方法，包括：
[0008]基于有限元法，建立带连接软管的输流管路系统动力学模型；
[0009]对建立的带连接软管的输流管路系统动力学模型进行模型验证；
[0010]基于验证后的模型进行不同流体压力下的模态试验，得到流体参数对带连接软管的输流管路固有频率的影响规律。
[0011]进一步地，所述基于有限元法，建立带连接软管的输流管路系统动力学模型，包括：
[0012]建立输流管路模型，得到管路的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；
[0013]引入实测刚度，将卡箍等效离散为弹簧，得到卡箍刚度矩阵；
[0014]将管接头用梁单元建模，得到管接头的刚度矩阵和质量矩阵；
[0015]引入流体项，得到流体的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；
[0016]将连接软管等效为弹簧，采用反推辨识的方法，基于遗传算法和实测频响函数，得到软管的等效边界刚度矩阵；
[0017]进行坐标转换，通过单元组集最终可获得管路系统的质量矩阵及刚度矩阵，进一步得到带连接软管的输流管路系统动力学方程。
[0018]进一步地，所述建立输流管路模型，得到管路的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，具体包括：
[0019]根据有限元法，采用铁木辛柯梁单元对整个管路进行离散，每个梁单元有两个节点，假设每个节点有四个自由度，将节点位移向量定义为：
[0020]q
e
＝[v
i
,w
i
,θ
yi
,θ
zi
,v
j
,w
j
,θ
yj
,θ
zj
]T
[0021]单元位移向量可以表示为：
[0022][0023]其中，N(x)为单元形函数，其表达式如下：
[0024][0025]N
v
＝[N
v1
(x) 0 0 N
v2
(x) N
v3
(x) 0 0 N
v4
(x)][0026]N
w
＝[0 N
w1
(x) N
w2
(x) 0 0 N
w3
(x) N
w4
(x) 0][0027][0028][0029]根据哈密顿原理和最小势能原理可以得到管路的偏微分方程，将单元位移向量代入方程中，得到局部坐标系下单元的刚度矩阵K
p
、质量矩阵M
p
和阻尼矩阵C
p
，其中阻尼矩阵C
p
采用瑞利阻尼形式：
[0030][0031][0032][0033]上式中，ρ
p
、l
k
和A
p
分别指第k个管路单元的密度、长度和截面面积；I
y
和I
z
分别代表关于oy和oz的截面惯性矩；v和w是任一截面沿y和z轴的平移位移；θ
y
和θ
z
分别表示任一截面绕y、z方向的转角位移，E和G分别代表杨氏模量和剪切模量，κ
y
和κ
z
分别代表关于y和z轴的剪切系数，薄壁圆柱件取值为0.5；变量上标带撇(
′
)表示关于坐标x取一阶导数，f1、f2为前两阶固有频率，ξ1＝ξ2＝0.02为前两阶模态阻尼比。
[0034]进一步地，所述引入实测刚度，将卡箍等效离散为弹簧，得到卡箍刚度矩阵K
c
，具体包括：
[0035]考虑卡箍宽度的影响，将金属毡单联卡箍等效离散为两个横向弹簧和两个角弹簧，每一个弹簧刚度为该方向实测刚度的1/2，其中卡箍的实测刚度通过多次试验测量得到。
[0036]进一步地，所述引入流体项，得到流体的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，具体包括：
[0037]当考虑管内定常流体流动时，与流体速度有关的科氏力和离心力会对管路振动产生影响，其中科氏力项为由于管路弯曲产生的离心力项为根据流体力作用产生的虚功，得到局部坐标系下流体单元的刚度矩阵K
f
、质量矩阵M
f
和阻尼矩阵C
f
：
[0038][0039][0040][0041]式中，m
f
为管路内流体质量，ρ
f
和A
f
分别指流体单元的密度和截面面积，p为流体压力，v为流体速度，μ为管路泊松比。
[0042]进一步地，所述将连接软管等效为弹簧，采用反推辨识的方法，基于遗传算法和实测频响函数，得到软管的等效边界刚度矩阵，具体包括：
[0043]连接软管主要由金属部分的硬管和橡胶软管构成，将硬管等效离散为梁单元模型，将橡胶软管等效离散为一个横向弹簧和一个角弹簧，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带连接软管的输流管路动力学建模方法，其特征在于，包括：基于有限元法，建立带连接软管的输流管路系统动力学模型；对建立的带连接软管的输流管路系统动力学模型进行模型验证；基于验证后的模型进行不同流体压力下的模态试验，得到流体参数对带连接软管的输流管路固有频率的影响规律。2.根据权利要求1所述的带连接软管的输流管路动力学建模方法，其特征在于，所述基于有限元法，建立带连接软管的输流管路系统动力学模型，包括：建立输流管路模型，得到管路的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；引入实测刚度，将卡箍等效离散为弹簧，得到卡箍刚度矩阵；将管接头用梁单元建模，得到管接头的刚度矩阵和质量矩阵；引入流体项，得到流体的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；将连接软管等效为弹簧，采用反推辨识的方法，基于遗传算法和实测频响函数，得到软管的等效边界刚度矩阵；进行坐标转换，通过单元组集最终可获得管路系统的质量矩阵及刚度矩阵，进一步得到带连接软管的输流管路系统动力学方程。3.根据权利要求2所述的带连接软管的输流管路动力学建模方法，其特征在于，所述建立输流管路模型，得到管路的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，具体包括：根据有限元法，采用铁木辛柯梁单元对整个管路进行离散，每个梁单元有两个节点，假设每个节点有四个自由度，将节点位移向量定义为：q
e
＝[v
i
,w
i
,θ
yi
,θ
zi
,v
j
,w
j
,θ
yj
,θ
zj
]
T
单元位移向量可以表示为：其中，N(x)为单元形函数，其表达式如下：N
v
＝[N
v1
(x) 0 0 N
v2
(x) N
v3
(x) 0 0 N
v4
(x)]N
w
＝[0 N
w1
(x) N
w2
(x) 0 0 N
w3
(x) N
w4
(x) 0]0]根据哈密顿原理和最小势能原理可以得到管路的偏微分方程，将单元位移向量代入方程中，得到局部坐标系下单元的刚度矩阵K
p
、质量矩阵M
p
和阻尼矩阵C
p
，其中阻尼矩阵C
p
采用瑞利阻尼形式：
上式中，ρ
p
、l
k
和A
p
分别指第k个管路单元的密度、长度和截面面积；I
y
和I
z
分别代表关于oy和oz的截面惯性矩；v和w是任一截面沿y和z轴的平移位移；θ
y
和θ
z
分别表示任一截面绕y、z方向的转角位移，E和G分别代表杨氏模量和剪切模量，κ
y
和κ
z
分别代表关于y和z轴的剪切系数，薄壁圆柱件取值为0.5；变量上标带撇(
′
)表示关于坐标x取一阶导数，f1、f2为前两阶固有频率，ξ1＝ξ2＝0.02为前两阶模态阻尼比。4.根据权利要求2所述的带连接软管的输流管路动力学建模方法，其特征在于，所述引入实测刚度，将卡箍等效离散为弹簧，得到卡箍刚度矩阵K
c
，具体包括：考虑卡箍宽度的影响，将金属毡单联卡箍等效离散为两个横向弹簧和两个角弹簧，每一个弹簧刚度为该方向实测刚度的1/2，其中卡箍的实测刚度通过多次试验测量得到。5.根据权利要求2所述的带连接软管的输流管路动力学建模方法，其特征在于，所述引入流体项，得到流体的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，具体包括：当考虑管内定常流体流动时，与流体速度有关的科氏力和离心力会对管路振动产生影响，其中科氏力项为由于管路...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辉，曹一明，郭旭民，葛寒，孙伟，李晖，汪博，张让威，高东武，林君哲，韩清凯，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：